基于储能的电能质量调节综合实验平台开发

2018-03-30冯兴田仉志华

实验技术与管理 2018年3期

冯兴田, 仉志华, 郭静

(中国石油大学(华东) 信息与控制工程学院, 山东青岛 266580)

电力系统由于存在非线性特性、电力系统故障以及非线性负载等问题,会带来不同的电压质量问题；新能源的发展使得大量分布式发电单元并入电网,对电网的影响愈加严重,电能质量问题更为突出[1]。在我国的智能电网发展目标中,要求配电网增强接纳分布式能源系统接入能力的同时,明确提出了配电网要满足经济社会电能质量的多元化要求,实现最佳的电能质量和供电可靠性[2]。电能质量问题已经成为影响用电效率、用电安全的重要因素,已成为电气工程学科的一个重要研究方向。

电能质量问题包括电压暂降、电压骤升、电压中断、谐波、低功率因数、电压波动或闪变、三相电压不对称等,都会带来巨大的损失和危害[3]。定制电力技术将电力电子技术、信息技术、控制技术等结合起来,能够有效解决各种电能质量问题[4-7]。为使电气专业学生熟悉电能质量问题、治理技术,并增强工程实践能力,本文设计了基于储能的电能质量调节综合实验平台,将定制电力技术应用到电能质量装置中,通过控制策略的开发,针对电压和电流不同的质量问题进行治理[8-10]。该实验平台综合运用电力电子技术、电能质量分析、计算机测控等专业知识,学生在深入理解电能质量问题及其治理方法的同时,工程实践能力得到锻炼[11-12]。

1 实验平台设计与开发

基于储能的电能质量调节综合实验平台由主电路系统和控制系统两大部分构成。主电路系统主要包括储能单元、串联变流器、并联变流器和双向直流变换器；控制系统主要包括供电电源、交直流电压电流采样、模数转换、PWM输出等单元。以数字信号处理器(DSP)TMS320F28335为核心进行软硬件设计,实现控制策略的算法开发。

1.1 系统主电路单元

图1为本文设计的电能质量调节系统主电路，其中A1、B1、C1、N1为侧连接配电网电源,A2、B2、C2、N2为侧连接负载。串、并联变流器单元均为三相四桥臂结构,串联变流器输出经过滤波器LsCs、串联变压器TsA—TsC串入配电网,并联变流器经过电感Lp并入配电网。双向晶闸管SCRA—SCRC分别串联限流电感LA—LC的组合结构与变压器TsA—TsC并联,构成旁路回路。超级电容储能单元作为快速储能,通过DC/DC直流变换器与直流侧进行能量的交换与缓冲。电解电容Cdc1、Cdc2稳定直流电压；R1为预充电电阻,限制充电电流；R2为泄放电阻,提供直流母线电压过高时的释能回路；Lb为升压电感；KMp1、KMp2为接触器,控制相关回路的通断。

图1 系统主电路

系统设计容量为100 kVA(串、并联变流器各自按照50 kVA),控制电源供电为AC 220 V,输入输出电压等级AC 380 V,变流器开关频率fs=7.2 kHz。根据设计参数计算得到各个元件的参数见表1。图2为实验系统主电路的实物图。

表1 系统元件及电路参数表

表1(续)

图2 实验系统主电路实物图

1.2 控制器单元

控制器单元以数字信号处理器TMS320F28335为核心,结合外围控制电路构成。控制器主要包括供电电源、交直流电压采样、电流采样、模数转换、PWM输出隔离驱动以及保护控制输入输出等单元,控制单元框图见图3。供电电源供给模数转换、DSP、隔离驱动等单元所需直流电源；电压采样采用电阻分压采样、电流采样采用LEM电流传感器采样,采样结果通过模数转换单元将数字量送入DSP；DSP对输入信号进行信号处理、数学运算、逻辑判断等,按照控制策略要求输出所需信号；通过隔离驱动单元输出相应的PWM信号(串联变流器、并联变流器、DC/DC变换器应用)、SCR信号(双向晶闸管的状态切换)、KM信号(接触器的开关控制)；PDP信号为系统保护信号。图4为控制器实物图。

1.3 采样调理与模数转换单元

各电量的模拟信号,需通过模数转换器变成数字量后才能送入DSP。图5为电压、电流的采样调理过程以及模数转换的电路原理框图。电压信号经过电阻分压采样后,通过具有高共模抑制能力的隔离运算放大器HCPL7800、高输入阻抗运算放大器CA3140后进入模数转换器；电流信号通过LEM电流传感器采样后,输出信号直接进入模数转换器。本文所用DSP自带12位模数转换器,只能接收0～+3.3 V的单极性信号,转换精度难以满足高性能系统的要求。因而此处采用Maxim公司的14 位A/D 转换器MAXl25芯片实现高精度的模数转换。MAX125电压输入和输出电平为+5 V,选用驱动缓冲三态门电路74F245芯片完成与DSP的电平匹配和速度匹配,同时MAX125和DSP并行工作可减轻DSP的工作负担。

图3 系统控制单元框图

图4 控制器实物图

图5 电量采样调理及模数转换电路原理框图

1.4 储能单元

超级电容器在功率密度以及充放电效率等方面性能优良,适用于作为能量缓冲器来使用。然而超级电容器的端电压很低,一般单只超级电容器的端电压为3 V左右,单只超级电容器的储能量也相对较小，不适用于实际系统。实际应用中通常将多只超级电容器串并联起来组成超级电容器模组,用以提供能量或进行功率缓冲,而且一般用于中低压场合。超级电容器的容量计算公式为

(1)

式中,P为功率；T为时间；ρ为冗余；C为单体电容值；U1为电容初始电压；U2为电容放电后电压；N为电容个数。

图6 超级电容器储能柜实物图

2 实验项目设计

基于储能的电能质量调节综合实验平台主要面向电气工程学科的研究生和高年级卓越工程师班的本科生开放,突出工程实践、项目开发、创新能力的培养训练,可以开展多种类型的实验项目。

2.1 串联变流器实验

串联变流器用以解决如电压暂降、电压骤升、电压间断、电压闪变等电压质量问题。采样输入侧的交流电压,根据出现的电压质量问题,采取适当控制策略,通过控制单元控制串联变流器输出相应的补偿电压,用以维持电压的额定要求。图7为串联变流器实验波形,电网电压暂降期间,串联变流器能够及时准确地输出补偿电压uc,使得负载电压uL始终维持原来的幅值和相位,iL为负载电流。

图7 串联变流器实验波形

2.2 并联变流器实验

并联变流器用以解决如电流谐波、三相不平衡、功率因数低等电流质量问题。采样负载侧的负载电流,根据出现的电流质量问题,采取适当控制策略,通过控制单元控制并联变流器输出相应的补偿电流,用以维持网侧电流的要求。主电路的动作需要KMp2 先闭合预充电,而后断开KMp2、闭合KMp1,即可投入并联变流器单元。图8为并联变流器投入前后的实验波形,负载选择非线性负载(三相整流桥+电阻)和阻性不平衡负载。并联变流器投入之前,电网侧的各相电流畸变严重,谐波含量较高,而且各相电流不平衡,中线电流isn较大；并联变流器投入后,谐波含量降低,三相电流趋于平衡,中线电流非常小。

图8 并联变流器实验网侧电流波形

2.3 储能及直流变换器实验

封锁串、并联变流器,断开超级电容储能柜,首先采用充电机为其充电；然后接入电路,为直流变换器提供电源,进行直流变换器实验。图9为实验时直流母线电压波形,超级电容经过预充电后输出电压400 V,再经过直流变换器升压等一系列调整之后,最终稳定在700 V。

图9 储能及直流变换器实验波形

2.4 系统综合实验

储能及直流变换器单元输出电压稳定后,可进行综合型实验,先投入并联变流器解决网侧电流的电能质量问题；在电压出现电能质量问题时,迅速投入串联变流器,补偿电压变化；串联变流器待机状态时,可通过直流变换器为超级电容储能进行充电。图10为电网电压暂降期间,A相对应的负载电压uLa、负载电流iLa、电网电流isa和并联变流器输出电流ica的波形,负载电压维持正常幅值,可测得暂降期间电网电流的最大电流谐波畸变率为4.2%。

图10 系统综合实验波形

3 结语

本文为电气工程专业设计了一套电能质量调节综合实验平台。该实验平台能够解决电网侧和负载侧的电能质量问题,可以开展多种类型变流器和储能的实验,服务于我校电气工程专业的“电能质量分析与控制”本科生课程和“电能质量分析”研究生课程。该实验平台有助于电气工程专业的学生深入了解电能质量问题的概念、类型、解决的方法,学习电力电子技术在电能质量调节装置中的应用、掌握多种变流器控制系统设计方法和控制策略,有利于培养和提高学生的工程实践和创新设计能力。

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